常见PCB爆板的成因与解决方案
摘 要: 爆板是PCB 一种最常见的品质可靠性缺陷，其成因复杂多样，在电子产品的无铅化焊接工艺中，随着焊接温度的提高和焊接时间的延长，在热量增加的情况下，PCB 爆板发生率剧增。本文通过理论和务实做法试从PCB 设计、材料选择、加工过程等方面进行归纳总结，并提出简单可行的解决方案。
关 键 词: 爆板无铅焊接
一、前言
随着欧盟RoHs 法令的实施，组成电子产品的印制电路板、电子器件、组装焊料等全面进入无铅化时代，电子组装工艺发生巨大变化。应用多年的63/37 锡铅焊料已被Sn-Ag-Cu、Sn-Cu-Ni 等无铅焊料替代，其熔点由183℃剧升到217℃以上， 回流焊接温度由220℃升高到250℃，且焊接时间延长20 秒以上，焊接热量的剧增给电路板、电子元器件等的耐热性能提出了更高的要求，在焊接的过程中，爆板（Delamination ）是电路板最常见的可靠性缺陷之一。本文通过理论分析和务实做法试从PCB 设计、材料选择、加工过程等方面对爆板进行归纳总结，以期找到简单可行的解决方案与同行共勉。
二、爆板的成因及解决方案
造成PCB 焊接过程爆板的成因众多复杂，我们从PCB 设计、材料选择、焊接曲线、加工过程（包括棕/黑化、压板、钻铣成型及过程吸湿管理等）等四方面对其爆板现象、形成原因和解决方案进行归纳总结。
（一）材料耐热性能不足型爆板
1.典型爆板切片图
2.成因分析
(1) 上述两个爆板案例主要发生在高层板结构中，爆板的位置相对比较固定。爆板的主要位置发生在BGAPitch 间距较小及BGA 密集区域位置。
(2) 无铅焊接的Profile 峰值温度较传统锡铅焊接平均高出34℃（锡铅焊料熔点为183℃，而无铅焊料熔点最低为217℃），对材料的耐热性提出更高要求。锡铅焊料在Reflow 时的峰温平均为225℃，波焊峰温平均为250℃，而无铅焊料的Reflow 峰温需提高到245℃，喷锡及波焊温度需提高到270℃，且Reflow 的平均操作时间延长20s 以上，焊接热量的剧增，对PCB 板的损伤加剧。
(3) Z-CTE 膨胀太大，在高温焊接受条件下，Z 轴膨胀过大导致爆板。
3.解决方案
为应对无铅化对PCB 板的耐热性能的挑战，IPC-4101B/99 针对“无铅FR-4”增加了四项新要求，要求Tg≥150℃（玻璃化转变温度）、Td≥325℃（热裂解温度）、Z-CTE≤3.5%（50—260℃）和T288≥5min。因此,建议在耐无铅工艺的材料选择时应优先选择满足上述要求的材料，同时在配方方面建议优先选择有填料（Filler）和酚醛（PN）硬化的材料。
（二）设计不良型爆板
设计不良造成的爆板主要有三种类型：
1．叠板结构不合适，内层板的铜厚和填胶量计算不正确。实践证明，半固化片的胶含量应足够，特别是低树脂含量的7628PP，使用时更应详加计算。我们的经验是压合后奶油层厚度应大于等于0.25mil；
备注：奶油层厚度=（PP 总厚度-填胶厚度-玻璃布厚度）/2
2.内层板阻流块设计不合适，常见的阻流块设计有三种：铜条结构、“城墙”结构和圆形Pad 设计（如下图），设计时应根据实际情况试验确定；
3.孔设计和编号孔设计不良。板边过多的工具孔设计（工具孔一般为3.2mm）在压合时不能被充分填胶而导致空洞，后工序易藏药水而导致爆板。另外， 编号孔也存在同样的影响。因此，建议在设备购买时应选用一致的对位系统，以减少板边的Tooling 孔数量。
（三）加工过程控制不良型爆板
1．棕黑化不良型爆板
（1）常见缺点照片
（2）成因分析
棕化的反应机理是：2Cu+H2S04+H 202+nR1+nR2→CuSO4+2H20+Cu(R1+R2)
在棕化槽内，由于H2O2 的微蚀作用，使基体铜表面立即沉积上一层簿薄有机金属膜。增加PP 与铜面的结合力。此类分层的主要原因是棕化面的微观粗糙度不良，压合后测试结合力差而导致爆板。另一方面，棕化膜的耐热性不足者，在多次压合（如2+N+2结构HDI 板）产品中常发生内层一次压界面处分层。
（3）改善建议
良好的维护保养和稳定的药水控制，是解决此类爆板的关键，应尽量避免药水换槽时不彻底（常见的做法是排一部分保留一份）或不按时更换药水。其次棕化水质的氯离子控制也很重要，过高的氯离子会严重影响棕化效果。另一方面在药水供应商选择时，需评估棕化的耐热性能，取多次压合的样板进行测试评估。
2．压板不良型爆板
压板不良型爆板是负责压板工程师最熟悉的一种类型，压板工序造成爆板的原因很多。这里只对固化不足型缺陷进行分析。
（1） 常见缺陷图片
（2）原因分析
压合固化不良型爆板一般不容易被怀疑，压合程式一旦设定好，就很少去更改了，但在最初程式设定时因为试验条件的不同，评估好的程序有时却出现问题。我们对失效的PCBA 进行△Tg 测试发现，当△Tg 值大于3℃时即存在较高的爆板风险。以下是失效PCBA 的△Tg 测试值：
样品 测试条件 Tg1 Tg2 △Tg 参考值
PCBA A 态 138.95 144.21 5.26 △Tg≥3℃
（3）改善措施
压合是PCB 制造的最重点工序之一，压合过程的管理，定期的料温测试和△Tg 测试是必须的。或者适当延长压板周期，确
保板子充分固化。另外建议程式设定时采取高温卸压，释放板子在高温高压固化时产生的内应力。
3．钻铣不良型爆板
钻铣不良型爆板常发生在密集孔区和板边位置，其成因主要是钻铣加工过程中的机械应力影响。实践中解决这类问题的方法主要有：
（1）在BGA 等密集孔区，钻孔时除参数应优化外，最好能够采取跳钻；
（2）钻孔后的烘板处理对预防爆板有一定的帮助；
（3）发生在板边的爆板一般与成型铣板有关，应控制铣刀的寿命和叠板块数。
4．过程吸湿型爆板
过程吸湿管理是PCB 制造过程重点，这类爆板常发生于绝缘层中间，没有明显的缺点特征。为预防因吸湿造成的爆板，我们建议：
（1） 应选择吸水率相对低的材料；
（2） PP 储存车间与叠板车间要求有温湿度控制管理，若PP 在冷库中储存，使用前应做解冻（回温）处理；
（3） 半成品过程存放时间不能太长，特别是内层生产过程中的尾数板管理（我们的试验证明，在常温没有湿度控制的环境中，内层板存放7 天再压合，爆板的发生率就非常高）；
（4） 成品板的包装不良也是PCB 吸湿爆板的重要影响因素。
三、结论
通过以上分析可以得出以下结论：影响分层爆板主要原因与PCB 设计、材料选择、加工过程、焊接Profile 等有较大的影响。从实验的结果来看，通过优化设计，选择耐热性能较好的板料，加强过程品质控制及优化焊接温度，分层爆板可以得到有效的改善